重载铁路活性粉末混凝土简支T形梁桥梁体优化及应用前景分析

摘要

我国是货运大国，铁路又是货运主要交通工具，货运重载化是我国铁路发展的方向，研制适应于大轴重列车的梁型十分必要。活性粉末混凝土(ReactivePowder Concrete，简称RPC)具有良好的物理力学性能，将RPC新型材料应用到重载铁路桥梁中，对重载铁路桥梁的发展具有重要的意义。本文把有限元分析和优化设计方法结合在一起，对重载铁路RPC简支T形梁进行理论分析，并通过优化分析确定截面最优参数和最佳预应力钢筋面积，总结确定最优高跨比。
　　本文以梁总造价为目标函数，T形梁截面尺寸和预应力筋面积为设计变量，以强度和挠度为约束条件，采用ANSYS有限元参数优化分析零阶法，对RPC简支T形梁正常运营阶段主要工况进行优化分析。分析结果表明，RPC梁体结构的力学性能良好，同时RPC材料使用应满足低高度梁对承载力及刚度的要求;重载铁路单片RPC简支T形梁造价主要由RPC控制，即由梁体截面尺寸控制。与现有设计相比，本文采用RPC替代普通混凝土，由于RPC材料的优越力学性能，使梁高得到一定程度降低，部分降低值比较明显;在保证结构正常使用性能时，RPC梁比普通混凝土T梁减轻自重达15％以上，这对于大跨径混凝土梁桥减轻自重、增大跨越性能具有重要的意义;单片RPC梁造价一定程度上高于普通混凝土T梁的造价，其主要原因是RPC的单价较高。但由于RPC材料良好的耐久性能，RPC梁可不进行后期养护维修，在其寿命周期内，RPC简支T形梁桥综合费用低于普通混凝土简支T形梁桥。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 重载铁路的发展现状

1．1．1 世界重载铁路的发展现状

1．1．2 我国重载铁路的发展现状

1．2 活性粉末混凝土的性能及研究现状

1．2．1 RPC材料的主要性能

1．2．2 RPC的国内外研究现状

1．3 活性粉末混凝土在工程中的应用及前景

1．3．1 RPC在工程中的应用

1．3．2 RPC的应用前景

1．4 RPC在重载铁路简支T形梁桥中应用的研究背景及意义

1．5 本论文的主要工作

2 优化理论基础

2．1 优化概念介绍

2．2 桥梁结构优化设计数学基础

2．2．1 设计变量

2．2．2 目标函数

2．2．3 约束条件

2．2．4 优化设计数学模型

2．3 优化设计分类及主要方法

2．3．1 优化设计分类

2．3．2 优化设计主要方法

2．4 基于ANSYS有限元的结构优化设计

2．5 本章小结

3 有限元建模分析

3．1 有限元法简介

3．2 有限元建模条件及本文采用的有限元方法

3．2．1 有限元建模条件

3．2．2 本文采用的有限元方法

3．3 预应力RPC简支T形梁建模与分析

3．3．1 材料模型的确定

3．3．2 单元的选择

3．3．3 预应力的实现

3．4 本章小结

4 重载铁路RPC简支T形梁优化分析

4．1 重载铁路RPC简支T形梁优化分析概述

4．2 16m RPC简支T形梁优化分析

4．2．1 设计资料

4．2．2 有限元建模

4．2．3 优化分析及结果

4．3 20m RPC简支T形梁优化分析

4．3．1 设计资料

4．3．2 有限元建模

4．3．3 优化分析及结果

4．4 24m RPC简支T形梁优化分析

4．4．1 设计资料

4．4．2 有限元建模

4．4．3 优化分析及结果

4．5 32m RPC简支T形梁优化分析

4．5．1 设计资料

4．5．2 有限元建模

4．5．3 优化分析及结果

4．6 综合分析

4．7 本章小结

5 综合费用分析

5．1 RPC梁与PC梁工程数量与造价比较

5．2 考虑下部结构的建造费用估算比较算例

5．3 RPC材料的使用对桥梁后期养护维修的贡献

5．3．1 桥梁安全状况评价及养护维修依据

5．3．2 桥梁养护方案

5．3．3 基于养护方案的费用计算

5．4 RPC与PC简支T形梁总费用比较

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历

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